Host and bacterial factors promoting colistin resistance in acinetobacter baumannii

Abstract

Sağlık bakımı ile ilişkili enfeksiyonlar dünya genelinde antibiyotik direncinin artması ile birlikte yaşamı tehdit eden bir problem haline gelmiştir. Sağlık bakımı ile ilişkili enfeksiyonların en önemli etkenlerinden biri olan Acinetobacter baumanni ise hastane ortamında uzun süre yaşayabilmekte ve ciddi enfeksiyonlara neden olarak özellikle yoğun bakım ünitelerinde yüksek ölüm oranlarının ortaya çıkmasına sebebiyet vermektedir. Kolistin ise çoklu antibiyotik direnci taşıyan gram negatif mikroorganizmaların neden olduğu enfeksiyonlara karşı son çare olarak kullanılmaktadır. Günümüzde kolistin direncinin ortaya çıkması, antimikrobiyal tedavinin sınırlanması ile sonuçlandığı için dünya genelinde ciddi bir endişe meydana getirmektedir. A.baumannii'de kolistin direncine neden olan 2 farklı mekanizma vardır. pmrCAB operonunda meydana gelen nokta mutasyonları LPS'e PEtn eklenmesini indükleyerek kolistinin bağlanmasını engellemektedir. İkinci mekanizma ise lpxA, lpxC ve lpxD genlerinde meydana gelen mutasyonlar LPS'i tamamen ortadan kaldırılarak, kolistinin hücre duvarına bağlanması engellenmesidir. Biz bu çalışmada konak faktörlerinin, klinik farklılıkların ve moleküler varyasyonların A.baumannii'de kolistin direnci gelişimindeki etkilerini ortaya çıkarmayı amaçladık.Bu amaçla 2015 Nisan ve 2016 Haziran tarihleri arasında Türkiye'nin faklı bölgelerinde bulunan 4 faklı hastaneden toplam 29 kolistin dirençli A.baumannii izolatı toplandı. Hastaların demografik bilgileri, hastalığın klinik seyri ve sonucu kayıt altına alındı. Kolistin direncinin genetik nedenlerini ortaya çıkarmak amacıyla; pmrCAB operonu, lpxA, lpxC ve lpxD genleri sekanslandı. Mutasyonlar ve gen ekspresyonundaki değişiklikler arasında bağlantı kurmak amacıyla pmrC, pmrA, and pmrB genlerinin ekspresyonları tespit edildi. Hastanın klinik bilgileri ve moleküler testlerin sonuçları R Studio programı ile analizi yapıldı. PmrA, PmrB, PmrC ve LpxD proteinlerinde amino asit değişimleri gözlemlendi. İzolatlar arasında en sık görülen amino asit varyasyonları; PmrB'de T138A, PmrC'de V42I& F150L ile LpxD'de E117K olarak belirlendi. qRT-PCR sonuçlarına göre pmrC'de ortalama 35.3 kat, pmrA'da 12.3 ve pmrB'de 8.2 kat artış gözlemlendi. Kolistin tedavi süresi ile pmrB geninin ekspresyonu arasında istatiksel olarak anlamlı bir bağlantı bulundu (p:0.046). Kolistin dirençli A.baumnnii izolasyonundan önceki 1 ay içinde operasyon geçirmiş olmak ve yüksek kolistin MIC değerleri ile istatiksel olarak anlamlı bulundu (p:0.039).Sonuç olarak, pmrC, pmrA ve pmrB deki ekspresyon artışı ile birlikte pmrA, pmrB, pmrC ve lpxD genlerinde meydana gelen mutasyonlar kolistin direnci gelişimine katkı sağlamaktadır. Kolistin ile tedavi süresi ve kolistin dirençli A.baumannii izolasyonundan önceki 1 ay içinde operasyon geçirmek kolistin direncinde önemli faktörler olarak bulundu. Bu sonuç hekimlerin kolistin tedavisi sırasında farklı tedavi seçeneklerini, kolistin kullanım süresini ve kombine tedavileri gözden geçirmesi gerektiğini göstermektedir. Direncin yayılımını engellemek için operasyon öncesinde sürveyans çalışmaları yapılarak koruyucu önlemler alınmalıdır.

Health-care associated infections (HAIs) have become a significant life-threatening problem over the time because of global increase in antibiotic resistant bacterial population. Acinetobacter baumannii (A.baumannii) is capable of survive in hospital environment for long time periods and cause severe infections with high mortality rates especially in intensive care units because of its multi-drug resistant (MDR) phenotype. Colistin is one of the last therapeutic options for treatment of MDR gram negative infections. Today, emergence of colistin resistance is a global concern because of the limitation of antimicrobial therapy. There are two mechanisms of colistin resistance in A.baumannii. Point mutations in pmrCAB operon induce PEtn addition on LPS which inhibits the colistin binding. Second mechanism is the prevention of colistin binding to cell wall by complete loss of LPS as a result of mutations or insertions in lpxA, lpxC, and lpxD genes. In this study, we aimed to reveal the association between the host demographic factors, clinical progression of the disease, and molecular variations of A.baumannii which may promote colistin resistance. A total of 29 colistin resistant A.baumannii isolates from 4 different hospitals located in different parts of Turkey were collected between April 2015 and June 2016. Patient's demographic data, clinical progress of the disease, and outcome were recorded. To find the genetic basis of resistance, pmrCAB complete operon, lpxA, lpxC, and lpxD genes were sequenced. The expression levels of pmrC, pmrA, and pmrB were studied to find a connection between mutations and altered expression levels. The patient's data and the results of molecular tests were analyzed by using R Studio program. In PmrA, PmrB, PmrC, and LpxD several amino acid changes were detected. The most common amino acid changes were T138A in PmrB, V42I& F150L in PmrC, and E117K in LpxD regions, and these mutations were found to be associated with the high colistin MIC values (p: 0.0022, 0.00086, 0.00086, 0.00086 respectively). According to the qRT-PCR results, 35.3-fold increase in pmrC, 12.3-fold in pmrA, and 8.2-fold in pmrB were detected. The duration of colistin therapy was found to be significantly associated with the overexpression of pmrB (p: 0.046). Having operation within one month before the isolation of colistin resistant A.baumannii is found to be significantly associated with overexpression of pmrB (p: 0.039). In conclusion, the overexpression of pmrC, pmrA, and pmrB along with the point mutations in corresponding genes and lpxD gene may trigger colistin resistance. The duration of colistin therapy and operation within last month before the isolation of colistin resistant A.baumannii are substantial factors on emergence of colistin resistance. Therefore, physicians should consider the therapeutic options during colistin therapy by controlling the duration of usage and combining colistin with other antibiotics. Surveillance cultures before the surgery should be encouraged and protective precautions should be taken to prevent the dissemination of resistance.